mobilne elementy genetyczne; organizacja materiału genetycznego...

Remodeling chromatyny

1

Wykład 5

Plan wykładu:

1. Przebudowa chromatyny

2. Struktura, funkcje oraz mechanizm działania kompleksów

remodelujących chromatynę

3. Charakterystyka kompleksów typu SWI/SNF

4. Funkcje kompleksów SWI/SNF w rozwoju zwierząt i roślin

2

1. modyfikacje DNA – metylacja DNA

2. modyfikacje potranslacyjne histonów – np. acetylacja

3. ATP-zależna przebudowa (remodeling) chromatyny

4. wyspecjalizowane warianty histonów

Zmiany struktury chromatyny:

ATP- zależny remodeling chromatyny zachodzi w trakcie większości

procesów związanych ze zmianami struktury chromatyny

- jest uniwersalnym mechanizmem kontroli stanu chromatyny - od

ustanawiania pozycji i struktury nukleosomów, do ustalania struktur

chromatyny wyższego rzędu

3

Jeden z podstawowych mechanizmów remodelingu -

przesunięcie oktameru histonów wzdłuż nici DNA

ATP-zależny remodeling chromatyny

przesuwanie nukleosomów pozwala m.in. na odsłonięcie sekwencji

regulatorowych, niezbędnych do prawidłowego przebiegu procesów

genetycznych (transkrypcji, replikacji, etc.)

4

Różne efekty ATP-zależnego remodelingu chromatyny

DBP – DNA binding protein, czynnik regulatorowy

Na podstawie: Clapier, Cairns, 2009 5

ATP-zależne kompleksy remodelujące chromatynę

Przebudowa chromatyny zachodzi dzięki wielobiałkowym

kompleksom, których centralną podjednostką katalityczną jest

ATPaza należąca do rodziny Snf2

ATPaza Snf2

6

ATPazy stymulowane przez kwasy nukleinowe, należą

do nadrodziny helikaz SF2

Rodzina białek Snf2 :

Podrodziny ATPaz Snf2

Flaus et al., 2006 7

Rodzina białek Snf2 :

ATPazy Snf2 podzielono

na wiele podrodzin :

• konserwowane ewolucyjnie, szczególnie wysoka homologia dotyczy

domeny katalitycznej (ATPazowej)

• w genomach wyższych eukariotów znajduje się wiele genów dla

ATPaz Snf2 - około 30 u myszy i człowieka, ponad 40 u Arabidopsis

prawdopodobna funkcjonalna specjalizacja

8 Flaus et al., 2006

Rodzina białek SNF2 :

i SWR1

Najlepiej opisano do tej pory 5 podrodzin ATPaz Snf2:

- oprócz wspólnej dla wszystkich białek Snf2 domeny katalitycznej,

posiadają one również inne charakterystyczne domeny

- domena ATPazowa we wszystkich białkach Snf2 jest rozdzielona na

dwie części: SNF2_N i HELICc

9 Na podstawie: Clapier, Cairns, 2009

• wiązanie do DNA oraz nukleosomów (SANT/ SLIDE)

• wiązanie pozostałych podjednostek kompleksu (HSA)

• rozpoznawannie i wiązanie do określonych modyfikacji potranslacyjnych

histonów (BROMODOMENA - acetylacja, CHROMODOMENA – metylacja)

Funkcje domen występujących w ATPazach Snf2

BROMODOMENA

- około 110 aminokwasów, 4

-helisy

- spotykana także w

acetylotransferazach

histonowych (białka HAT)

10

Mechanizm działania kompleksów remodelujących

chromatynę

ATPaza Snf2

Dechassa i wsp., 2008 11

wg Clapier, Cairns, 2009 12

Mechanizm działania kompleksów remodelujących

chromatynę

Różnice pomiędzy różnymi typami kompleksów na

poziomie biochemicznym:

SWI/SNF ISWI

zdolność do zmiany konformacji

pojedynczego nukleosomu

zdolność do równomiernego

rozmieszczania nukleosomów

-

-

aktywność zależna od obecności

ogonów histonów -

Swi/Snf ISWI

ISWI

13

Różnice funkcjonalne pomiędzy różnymi typami kompleksów

SWI/SNF ISWI CHD

Swi/Snf

ISWI

ISWI

Mi2

• aktywacja, elongacja i

represja transkrypcji

• replikacja i naprawa DNA

• segregacja

chromosomów

• różnicowanie i rozwój

• głównie represja transkrypcji

• replikacja

• składanie chromatyny

• różnicowanie i rozwój

• promowanie struktur

chromatyny wyższego rzędu

• represja transkrypcji

• replikacja

• naprawa DNA

• segregacja

chromosomów

14

Kompleksy typu SWI/SNF

Drożdżowy kompleks SWI/SNF scharakteryzowano jako pierwszy

spośród kompleksów remodelujących chromatynę

Jest to kompleks o masie 1,15 MDa składający się z 11 różnych

podjednostek (niektóre występują w kilku kopiach)

Niektóre podjednostki (ATPaza, Snf5, Swi3, Swp73, ARP) tworzą tzw.

część rdzeniową kompleksu, wykazującą zdolność do efektywnego

remodelingu in vitro.

15 Kwon, Wagner, 2007

Zmiany położenia nukleosomów w chromatynie

• A. Schemat ułożenia nukleosomów w chromatynie

• B. Silnie zlokalizowane i rozmyte nukleosomy.

• C. Nukleosomy a miejsca wiązania czynników transkrypcyjnych.

G. Arya et al. jbsd (2010)

Zmiany położenia nukleosomów

wprowadzane przez kompleksy

SWI/SNF

Wpływ kompleksów SWI/SNF na transkrypcję

16

Wpływ kompleksów SWI/SNF na transkrypcję

Euskirchen et al. (2012) 17

Model działania SWI/SNF w inicjacji transkrypcji – gen IFN-β współdziałanie z acetylazami histonów

1. Do pozbawionego nukleosomów

fragmentu promotora przyłączają się

specyficzne czynniki transkrypcyjne,

które rekrutują kompleks GCN5

2. GCN5 acetyluje histony w

nukleosomach flankujących NFR, a

następnie oddysocjowuje

3. Na jego miejsce rekrutowany jest

kompleks białka CBP i Polimerazy II.

4. Dzięki interakcjom z białkiem CBP

do promotora dołącza się kompleks

SWI/SNF - remodeling nukleosomów

5. Efekt końcowy: skompletowanie

kompleksu preinicjacyjnego i inicjacja

transkrypcji.

18 Agalioti et al., 2000

Inne funkcje kompleksów SWI/SNF

elongacja transkrypcji

alternatywny splicing

represja transkrypcji (współdziałanie z deacetylazami histonów)

replikacja

naprawa DNA

19

U drożdży występują 2 podtypy kompleksów SWI/SNF:

ySWI/SNF oraz RSC

– mają one różny skład oraz zróżnicowane funkcje

Podtypy kompleksów SWI/SNF

Kwon, Wagner, 2007

- regulacja cyklu komórkowego

- brak kompleksu RSC jest letalny

dla drożdży

- regulacja genów o indukowanej ekspresji

- brak ySWI/SNF nie jest letalny, powoduje

zaburzenia ekspresji ok. 5% genów

20

Podział na kompleksy ySWI/SNF oraz RSC jest konserwowany ewolucyjnie

Podtypy kompleksów SWI/SNF

21 Martens, Winston, 2003

Clapier, Cairns, 2009

Rola poszczególnych podjednostek

stabilizacja struktury kompleksu (np. ARP – actin related proteins)

stymulowanie działania ATPazy (ARP)

oddziaływania z DNA, nukleosomami i modyfikowanymi histonami

dzięki obecności odpowiednich domen (np. SANT, SWIRM,

BROMO, CHROMO)

Oddziaływania te umożliwiają kierowanie kompleksów SWI/SNF do docelowych

miejsc w chromatynie, a także współdziałanie kompleksu z innymi czynnikami

modyfikującymi chromatynę

oddziaływania z innymi białkami

Erdel et al., 2011 22

Oddziaływania z białkami regulatorowymi a funkcje

kompleksów SWI/SNF

Simone, 2006 23

Oddziaływania SWI/SNF z białkami regulatorowymi

Euskirchen et al. (2012) 24

1. Kluczowa rola w rozwoju

- brak ATPazy BRG1, homologów SNF5 oraz SWI3 są letalne u myszy

Charakterystyka zwierzęcych kompleksów SWI/SNF

Ho, Crabtree, 2010 25

2. Regulacja cyklu komórkowego, różnicowania

- mutacje w niektórych podjednostkach skutkują rozwojem agresywnych nowotworów - niektóre podjednostki są klasyfikowane jako supresory nowotworów


26


3. Udział w licznych szlakach sygnalizacyjnych, np. hormonalnych – oddziaływania z receptorami hormonów steroidowych

Keppler et al., 2011 27

Skład podjednostkowy

kompleksu decyduje o

oddziaływaniach ze

specyficznymi białkami

regulatorowymi

4. Kombinatoryczne składanie kompleksów


28 Ho, Crabtree, 2010

1. Kombinatoryczne składanie kompleksów – więcej możliwości niż u zwierząt

Roślinne kompleksy SWI/SNF - Arabidopsis

29 Jerzmanowski, 2007

Podobieństwo budowy kompleksów SWI/SNF u zwierząt i roślin

BRM, SYD

SWP73

ARP

AtBRD

SWI3

AN3

BSH LFR

Kadoch et al. (2013), Nat Genet

Vercruissen et al. (2013), niepubl. 30

ARP7 ARP

BRM

SWP73 SWI3C SWI3B

BSH

Białko BRM (BRAHMA) jest najbliższym homologiem ATP-az typu SWI/SNF

występujących u innych organizmów - zawiera m.in. na C-końcu

bromodomenę


31


2. Udział w rozwoju podobnie jak u zwierząt, niektóre mutacje w podjednostkach SWI/SNF są

embrioletalne

32

Mutanty Arabidopsis pozbawione ATPazy BRM

33

Plejotropowy fenotyp - udział w różnych etapach rozwoju

34

Udział kompleksów SWI/SNF w sygnalizacji hormonalnej u roślin

Ścieżka kwasu abscysynowego Ścieżka giberelinowa

Han et al. (2012)

Archacki et al. (2013)

mobilne elementy genetyczne; organizacja materiału genetycznego...

Documents